1. Sensores ópticos  

Os sensores são dispositivos capazes de detectar movimentos e ações que ocorrem em processos e projetos eletro-eletrônicos. Os sensores ópticos emulam, basicamente, a visão e são fabricados segundo a tecnologia da emissão e recepção de irradiação infravermelha. De modo geral, apresentam uma vida útil praticamente infinita e são mais precisos quando comparados a outros tipos de sensores. O princípio de funcionamento geral de um sensor óptico consiste na colocação de emissores e receptores de luz.

1.1 Tipos de sensores ópticos:

Os sensores ópticos podem ser divididos em dois tipos: os infravermelhos ativos e os passivos. Dentre os ativos, podemos caracterizar três grupos principais, de acordo com o seu funcionamento:

a) Sistema por Barreira (ópticas alinhadas); b) Sistema por Difusão;c) Sistema por Reflexão.

Um sensor é dito ativo quando este possui um emissor e um receptor que detecta esta onda.

Os sensores são ditos passivos quando estes possuem apenas receptores, ou seja, eles não emitem ondas infravermelhas, apenas detectam a movimentação destas nas suas áreas de atuação.

a) Sistema por Barreira

O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos em frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado, interromper o feixe de luz;

A distância máxima sensora nominal, informada pelo fabricante, para o sistema é especificada como sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o conjunto de operar com distâncias menores;

Quando um objeto possui dimensões menores as mínimas recomendadas pelo fabricante, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento.

a. Principio de funcionamento:

Segue abaixo algumas figuras que ilustram o princípio de funcionamento:

Figura 1: Diagrama em blocos do sistema por barreira.

Figura 2: Diagrama em blocos da função de transferência do sistema por barreira

Figura 3: Diagrama do funcionamento do sistema por barreira.

b. Esquema elétrico do sensor de barreira infravermelha

A figura 4 abaixo mostra o esquema elétrico:

Figura 4: Esquema Elétrico do sensor de barreira infravermelha

O sensor é constituído por dois circuitos. No primeiro circuito, um led infravermelho diretamente polarizado é ligado em série com um resistor e o circuito é alimentado por uma fonte de 12V. Desta forma o led emite um sinal um infravermelho que será captado pelo segundo circuito sensor. Este consiste de um fotosensor inversamente polarizado que recebe o sinal do primeiro circuito. Enquanto o fotosensor está recebendo a luz infravermelha do primeiro circuito, a saída, conectada á alimentação do transistor, permanece inativa.

Quando a barreira é violada, ou seja, o foto sensor deixa de receber a luz do led, passa a existir uma tensão na saída do circuito que irá alimentar o transistor de rádio. Os transistores do segundo circuito funcionam como chaves, fazendo com que exista ou não uma tensão na saída dependendo se a barreira está ou não quebrada, como foi dito acima.

c. Aplicações

A cada dia, a indústria como um todo vem empregando um maior número de sensores ópticos devido, principalmente, a alta precisão, alta confiabilidade e a redução de custos, além de uma vida útil enorme dos mesmos.

Exemplos de aplicações:

Exemplos de sensores ópticos de barreiras:

d. Vantagens e desvantagens do sensor de barreira infravermelha

Vantagens: Podem detectar pequenos objetos a longas distâncias; Os objetos podem ser opacos ou pouco translúcidos; Devido à sua habilidade de detectar através de ambientes

sujos, como pó, óleo, entre outros, esses sensores fornecem grande confiabilidade e necessitam de pouca manutenção.

Desvantagens: Mais caro, devido à exigência de emissor e receptor em

separado; Necessita de duas conexões elétricas separadas; O alinhamento do feixe de luz emissor-receptor torna-se muito

importante; Não detecta objetos completamente transparentes.

1.2 Exemplos de sensores ópticos:

LDR (Light Dependent Resistor)

O  foto resistor ou LDR é um dispositivo cuja resistência elétrica diminui quando aumenta a incidência de radiação luminosa. Existe em diversos tamanhos e potência, a figura a seguir mostra o símbolo e o aspecto físico e são usados em detecção de fumaça, alarmes de segurança e roubo, controle de luminosidade, contagem de peças, etc.

 

( a )                                            ( b )

Figura 5: LDR  ( a ) símbolo ( b ) resposta espectral

A figura a seguir mostra duas aplicações típicas de detecção de luz,  a primeira usando transistor e a segunda usando amplificador operacional.

                        ( a )                                                                   ( b )

Figura 6: circuitos de detecção de luz  ( a ) com transistor ( b ) com amplificador operacional

Na figura 2a na presença de luz  o circuito é ajustado (potenciômetro de 47K) para que o transistor corte. Na ausência de luz (escuro) a resistência do LDR aumenta aumentando a tensão nele o que faz o transistor saturar ligando o relé.

Na figura 2b no escuro a tensão na entrada não inversora deve ser levemente inferior à tensão na entrada inversora, desta forma a saída do amplificador operacional é aproximadamente zero e o relé estará desligado. Quando o LDR  for iluminado, a tensão na entrada n inversora aumentara fazendo a saída do AO subir para aproximadamente 12V o que faz o transistor saturar ligando o relé.

Fotodiodo e Fototransistor

Um foto diodo funciona  ao contrario do LED, isto é, ao receber uma radiação luminosa na junção, produzirá uma corrente que será proporcional à intensidade luminosa. São usados basicamente para detectar a intensidade luminosa, a posição, cor e a presença.  A figura a seguir mostra a polarização e a curva  característica. Cada uma das curvas da figuraxxx é para um nível de intensidade luminosa.

         (a)                                                                (b)

Figura 7: fotodiodo ( a ) polarização ( b ) curva característica

Com o dispositivo no escuro a corrente será devido aos portadores gerados termicamente (portadores minoritários), essa corrente é chamada de corrente no escuro, IS.

  Com a incidência de luz na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga serão gerados. A corrente total (IT)  através da junção será dada por:

IT= IS+IIL

IS é a corrente de saturação

IIL é a corrente devido  à radiação incidente

O fotodiodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda, para o qual é produzido o máximo numero de pares eletron-lacuna.

Com o dispositivo no escuro a corrente através da junção (IS) corresponde à corrente devido aos portadores minoritários os quais são gerados termicamente. Com a  incidência de radiação luminosa na junção a corrente aumentará, pois novos portadores de carga  (elétrons livres e lacunas) serão gerados. A corrente total através da junção será dada por:

   IT = IS + IIL  

  Onde:    IS é a corrente de reversa de saturação devido aos portadores gerados termicamente, portanto essa componente depende da temperatura, também é chamada de corrente no escuro.

 IIL   é a corrente devido a incidência da radiação luminosa

  O foto diodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda (cor), para o qual será gerado o máximo de pares eletron-lacuna, sendo  máxima ao redor do comprimento de onda de 0,85μm.

O fototransistor é mais sensível  que o fotodiodo, gerando uma  corrente  β vezes maior, porém tem uma resposta em freqüência proporcionalmente menor. A resposta espectral  está mostrada  na figura a seguir.

Figura 8: Fototransistor - Exemplo de resposta espectral      

Fonte: Detecting Infrared Radiation with a Phototransistor and an IR Filter; Edward V. Lee, American Physical Society, College Park, MD

A figura a seguir mostra  a polarização do fototransistor na configuração emissor comum,   a curva característica e o circuito equivalente. Para  a configuração emissor comum, a saída é baixa quando o dispositivo é iluminado e alta quando está no escuro.

 

Figura 9; Fototransistor  (a ) e ( b ) configuração emissor comum  ( c ) circuito equivalente ( d ) curva característica de coletor

  Outra alternativa é a configuração coletor comum, figura 7, na qual  a saída será alta com o dispositivo iluminado. A terceira  alternativa é usada quando o terminal da base estiver disponível e for desejado uma diminuição na sensibilidade do fototransistor.

             O fototransistor pode operar no modo ativo e no modo chave. No modo ativo a saída será proporcional à intensidade luminosa, essa aplicação é usada nos casos em que se deseja comparar níveis de intensidade de radiação ou mesmo medir a intensidade da radiação.  No modo chave a saída será ou Vcc ou aproximadamente zero.

 

Figura 10: Fototransistor polarizado ( a ) na configuração coletor comum ( b ) com terminal de base acessível

  A corrente de coletor no escuro  é dada por:

 IC= β.IS=IE

  Na presença de radiação, portadores adicionais serão gerados, fazendo aparecer uma corrente IIL que será adicionada à corrente no escuro. Acorrente total será dada por:

 IC= β.( IIL +  IS) desta forma  a corrente  produzida pela radiação luminosa será multiplicada por  β. Pelo modelo podemos verificar a equivalência entre  um fototransistor  e um fotodiodo ligado a um transistor comum.

 

Acoplador Ótico

Um acoplador ótico ou isolador ótico é similar a um transformador, no qual a saída é isolada eletricamente da entrada, no transformador o acoplamento é feito magneticamente e no acoplador ótico é feito através de radiação luminosa.

  Internamente ele  tem um diodo emissor infravermelho (IR) e um fotodetetor em um mesmo bloco. A energia radiante emitida pelo diodo  é emitida através de um elemento transparente  e de alta isolação elétrica, não  existindo nenhuma conexão elétrica entre a entrada e a saída. A figura a seguir mostra o principio de funcionamento de um acoplador ótico:

 

Figura 11:  acoplador ótico aspectos construtivos

 A capacidade de transmitir o sinal da entrada para a saída é dada através da relação de transferência (CTR), a qual depende da eficiência do LED, do detector, da distancia entre o emissor e o receptor,  da superfície e sensibilidade do detector.

 Os três principais parâmetros de um acoplador ótico são:

A resistência  de isolação, é a resistência CC medida  entre a saída e a  entrada sendo maior do que   1011 Ohms;

A capacitância de isolação, é a capacitância parasita do dielétrico da entrada para a saída, e o seu valor varia de 1 a 3 pF. Devido á essa capacitância o dispositivo pode sofrer danos se tensões muito rápidas forem aplicadas, por exemplos tensões acima de 500V/μs e

Tensão de isolação é a máxima tensão que o dielétrico pode suportar. A tensão de isolação pode atingir valores da ordem de 5000V.

 O acoplador ótico comercial 4N25 (4N26,4N27,4N28,4N35,4N36) são acopladores óticos de propósito geral com 6 pinos Dual In Line.

 A figura a seguir mostra  o encapsulamento e  o esquemático interno.

 

(a) (b) (c)

Figura 12: 4N25   ( a ) encapsulamento branco  ( b )  encapsulamento preto   ( c ) esquemático

A figura 13 a seguir mostra algumas das curvas características do acoplador ótico 4N25.

(a) (b)

Figura 13:   ( a ) curva característica de entrada  ( b ) relação de transferência normalizada em função da corrente de entrada (corrente no LED).

 O acoplador ótico mais conhecido é o que tem como fotodetector um foto transistor mas existem inúmeros outros tipos de elementos de saída: foto diodo, fotodarlington, fotoscr, fototriac, etc.

É importante lembrar sempre da freqüência de operação (banda passante), ela é tanto menor quanto maior o ganho do fotosensor. Por exemplo, para o acoplador ótico com o fodiodo a banda passante pode ser da ordem de MHz, para o fototransistor centenas de KHz, para o fotodarlington algumas dezenas de KHz.

 1.2 Comutadores e Refletores Óticos 

São basicamente um emissor e um receptor em um mesmo modulo, mas com abertura que permita a colocação de um anteparo para cortar o feixe. Pode ser um interruptor ou  de um anteparo para refletir o feixe, no caso do modulo refletor.

A figura a seguir mostra, de forma simplificada, o principio de funcionamento:

               ( a )                                                ( b )                                     ( c )

 

Figura 14:  Refletor ótico ( a ) aspecto físico  ( b ) esquemático ( c ) dimensões (mm)

Um exemplo de  refletor ótico é o QRE00034 da Fairchild, o qual  consiste de um diodo emissor infravermelho e um foto transistor montados lado a lado em um eixo convergente. O foto transistor responde à radiação somente quando um objeto refletor no seu campo de visão.

 

                

          ( a )                                         ( b )                             ( c )

Figura 15:  interruptor  ótico ( a ) aspecto físico  ( b ) esquemático  ( c ) dimensões (mm)

Um exemplo de interruptor  ótico é o MOC70P1 da Fairchild. Esses dispositivos são usados principalmente em controle e posicionamento de motores. A figura 13 mostra um disco no qual existe uma ranhura (poderia ser um orifício). À medida que o eixo gira quando a ranhura estiver  alinhada com o feixe, o transistor de saída satura e quando o feixe for cortado, o transistor corta gerando uma onda quadrada na saída. A freqüência  da onda quadrada será proporcional  à rotação do eixo e ao numero de ranhuras.

Figura 16:  Interruptor ótico como sensor de movimento  

 

Bibliografia:

UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555Rômulo Oliveira Albuquerque e Antonio Carlos Seabra - Ed Erica